船舶智能能效管理系統設計

趙 科，丁 琦

(1.中國遠洋海運集團有限公司，上海 200080；2.上海船舶運輸科學研究所航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

近年來，由于排放法規日趨嚴格，IMO、歐盟、中國海事局等都提出了對于航運排放的申報檢驗要求，滿足MRV 排放的監測、報告和驗證要求，提高營運能源利用率，降低排放是航運企業提高航運效益、保障社會責任的必然選擇。隨著現代船舶綜合自動化水平的提高和船舶設備專業性的增強，對船舶能效的監控管理始終是船舶營運工作的主要內容。國際海事組織（IMO）也在第62 次會議提出兩項船舶能效評判標準：船舶能效管理計劃（SEEMP）和能效設計指數（EEDI）。該標準從船舶設計、建造、營運等各個環節采用相關節能降耗的措施來提高船舶綜合能效水平。

隨著船舶管理向數字化、信息化、智能化方向發展[1 –2]，智能船舶等概念的提出，船舶能效管理的數字化及智能化應用逐漸成為未來船舶節能減排發展的重要需求。采用智能化的船舶智能能效管理系統是希望集監測、分析、報告和管理于一體，對船舶進行實時監控、航行評估、數據分析與報告管理。船上機電設備種類繁多，系統結構復雜，隨著全電力船舶的發展，對船舶能效的產生、管理、分配也愈發困難，而對于船東而言，能效管理的工作貫穿經營、機務、海務、技術保障和環保等多個業務口徑，較難整理出完整的功能需求。

目前國外企業已經從典型業務需求出發，開發出集監測與管理功能為一體的船舶綜合智能能效管理系統，如挪威的康士伯公司的EMS 系統提供了更加數據化的機艙性能管理和決策方法，提高整船的設備監控能力，降低能耗并減少排放。冰島的MARORKA 公司從航行優化角度，提供基于氣象的航速縱傾等航行優化和航段信息監控評估，提高船舶航行能效和運營效率。而國內目前的一些廠家如CCS 提供整套較為通用的能效監測管理解決方案，相關功能對于船東需求的覆蓋還需要進一步驗證和加強，因此開展船舶綜合智能能效管理系統的研究勢在必行，在營運船舶能效方面的管理措施還需進一步加強。

為提高智能船舶營運過程中的能效水平，實現系統化的船舶能效管理，降低船舶能耗，提高能源利用效率。本文在分析船舶能效指標與能效管理計劃的基礎上，對船舶綜合智能能效管理系統進行功能劃分，系統設計，能效優化，提出一種高效、綠色的能效管理系統方案，降低排放，減少能耗，滿足智能船舶未來發展的要求，同時對日后國產能效管理系統提供參考依據。

1 船舶能效管理計劃與能效指標分析

船舶能效管理計劃（SEEMP）從能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面對船舶進行嚴格的控制和管理來提高能效水平。它對航運公司監測船舶CO2等溫室氣體的排放提出了量化要求，并要求從計劃、實施到監控、自我評估，建立一整套完善的提高船舶營運效率 管理機制[3–5]。

船舶營運能效指數（EEOI）是獲得營運船舶或船隊能效量值的國際公認工具之一，其反映的是消耗燃油所排放的CO2與貨物的數量和運輸距離的比值，用來衡量階段時期內船舶能效的高低[6–8]。EEOI 可以定義為：

式中： j 為燃油類型； Fcj為 燃油j 的消耗量；CFj為燃油j 的燃油量與CO2排放量之間的轉換系數； mcargo為貨物種類（t）或完成工作量（標準集裝箱數目或人員或武器）或客船的總噸位；D 為航行距離（n mile）。

影響EEOI 的因子在實際中非常復雜，總體可以歸納為設備能耗狀態、船舶性能狀態、當前航行環境及狀態、營運計劃及人員操作等，因此，針對船舶航行過程中的營運特點與多種影響因素進行綜合研究，能有效降低能耗，提高船舶性能。為落實船舶能效營運指數，根據船舶能效管理計劃的思想建立船舶能效管理體系，遵循計劃-實施-檢查-行動（PDCA）運行模式，如圖1 所示。

圖1 船舶綜合能效管理計劃的運行流程Fig.1 Operation process of ship comprehensive energy efficiency management plan.

2 能效管理系統功能框架

根據能效管理計劃運行流程，船舶智能能效管理系統應負責對船舶能耗、能效的監測與評估、能量的產生分配、管理調度等。將采集監控數據進行關聯分析、通過數學建模以及優化算法，對船舶能耗、能效以及排放進行綜合評估、分析、預測并為船舶管理者提出能效輔助優化建議，實現對船舶營運狀態的實時在線監控、智能評估、能效優化以及歷史報告管理等功能。繼而通過收集到的大量實船航行數據，對船舶關鍵能耗設備進行針對性能效建模、航速優化、縱傾優化等，提高船舶運行過程中的經濟效益。

從降低船舶營運能效指數的角度考慮，船舶智能能效管理系統應包括數據采集、設備能耗監測、推進系統監測、船舶綜合航行監測、能耗分析與優化及岸基管理等功能，如圖2 所示。

圖2 船舶智能能效管理系統功能框架Fig.2 Functional framework of ship intelligent energy efficiency management system.

1）數據采集。該功能是能效管理系統的基礎，通過燃油計量裝置、軸功率儀、GPS、風速儀、測深儀、傾斜儀等各種傳感器將船舶營運過程中的能效數據進行采集并匯總，經通訊系統傳輸到船舶工作站以及岸端數據服務器。

2）設備能耗監測。根據管理計劃分析，對降低EEOI 直觀重要的全船主要耗能設備的運行狀態進行監測，對其進行能耗分類，并對關鍵能耗設備如主機、發電機、鍋爐的關鍵參數如功率、轉速等進行監控?；跔顟B評估算法開展數據分析優化，進行系統的節能潛力評估與實際節能效率計算。

3）推進系統監測。對與航行效率相關的主機、軸系、槳等推進系統設備的物理指標與運行情況進行監測報警，保證船上推進系統的正常運行。

4）綜合航行監測。對GPS、計程儀和風速風向儀系統等航行狀態和航行環境參數進行監測記錄，保障船舶的安全穩定運行，并為航行時的緊急狀況提供處理依據。

5）能耗分析與優化。將全船設備能耗參數進行匯總計算，提供對比圖表、歷史數據查詢等功能。通過對存儲數據的分析，確定船舶營運過程最佳能效管理方案，提高船舶整體效能，并結合航行特點、燃料消耗、經濟效益等評估結果，提供基于不同目標的優化方案[9]。

6）岸基管理。進行船岸數據實時傳輸，船隊層級數據的存儲、分析與實時監測，建立岸端數據庫，實現岸端對所有在航船舶進行統一遠程監控，并對船端進行能耗優化提供輔助決策與遠程技術支持。

3 能效管理系統設計及開發

能效管理系統的設計應當從宏觀、總體、系統的角度對船舶營運能效參數進行收集匯總，并利用數學建模與先進的優化算法進行科學分析，提高船舶總體能效水平。

3.1 硬件設計

在硬件架構設計上，由于船上擁有大量現代化電力設備與先進的控制技術，船舶電站對于網絡數據傳輸的穩定性、時效性與安全性提出了更多的要求，為了保證不同工況下網絡的整體性能，系統采用船舶總線控制網與工業以太網混合異構型網絡為基礎的開放式船舶物聯網體系架構。其中船舶總線控制網用于對安全性與時效性要求較高但對信息量要求不大的現場設備層網絡，并提供防塵、防爆等安全特性，工業以太網用于對安全性與實時性要求較高但是對信息量需求不大的上層信息管理網絡，此種架構可以方便地進行通信網絡中的模塊增減改動，如圖3 所示。

3.2 軟件設計

在軟件方案設計上，選用B/S 架構對船舶智能能效管理系統進行設計。Browser 端需要提供友好的用戶訪問交流界面，且接口響應時間不超過5 s，頁面刷新時間不超過3 min，Server 端需要提供所有大型計算處理服務，各功能模塊（優化模塊除外）響應時間不超過30 s。

圖3 船舶智能能效管理系統架構Fig.3 Architecture of ship intelligent energy efficiency management system

系統采用3 層松散耦合的結構設計，數據層通過外部環境接口運用數據采集處理組件與實時通訊組件從現場設備采集數據并存儲到數據庫，或向現場設備發送指令，與應用層和服務層交互。服務層可以從數據庫讀取現場設備實時工況數據，調用不同的管理組件進行分析計算以供應用層調用。應用層根據各功能模塊的需求，調用服務層組件，顯示不同的程序界面，實現船舶智能能效管理系統軟件的功能。船舶智能能效管理系統軟件設計思路如圖4 所示。

圖4 船舶智能能效管理系統平臺設計思路Fig.4 Design of ship intelligent energy efficiency management system

在數據庫開發上，選擇MySQL 數據庫平臺，并利用Navicat for MySQL 進行數據的導入導出工作。主要功能包括 SQL 創建工具或編輯器、數據模型工具、數據傳輸、導入或導出、數據或結構同步、報表、以及更多。

3.3 數據采集與處理

數據采集與處理是船舶智能能效管理系統運行的基礎，針對不同數據來源，提供2 種通訊方式進行數據實時獲取。對于提供數據庫接口的數據采集終端系統，通過開放數據庫互聯（ODBC）進行數據通信；對于不提供數據庫接口的數據采集終端系統，通過TCP 或UDP 協議與數據采集終端系統進行數據通信。實時數據每隔1 s 采集1 次，并導入至船端數據庫中，并通過計算轉化為10 分鐘表、1 小時表、1 天表分別存儲在船端數據庫中，每小時定時將1 小時的能效數據打包并發送到岸端數據庫中，并針對不同類型的數據進行標識與區分（靜態、人工、計算、在線監測），供專業人士進行后續能效優化與輔助決策制定。

3.4 能耗分布與評估方法

參考《船舶能量消耗分布與節能指南》，考慮實船實際參數監測能力，由船舶主機、輔機、鍋爐燃油計量裝置計算船舶當前工況各能耗設備燃油消耗量，計算得到能量輸入基值，根據系統流程與各設備進出口工質熱力學參數，計算各主要設備能耗情況，并與能量輸入基值對比，得到設備能量效率與能耗分布百分比，計算框架如圖5 所示。同時根據試航數據以及設計資料計算出船舶設計航速下主要耗能設備的靜態能耗分布比例與靜態指標，二者進行對比，超過標準值時系統可認為能耗分布異常，并提供相關報警顯示。能耗分布對比分析流程如圖6 所示。

3.5 船舶性能評估方法

圖5 能耗分布圖Fig.5 Energy consumption distribution

圖6 能耗分布對比流程Fig.6 Energy consumption distribution comparison process

船舶總體性能是從整體角度對船舶能效狀態進行分析和評估，分為能效指標趨勢和船舶性能狀態兩部分。

根據監測燃油流量計、GPS、計程儀計算船舶單位時間內的燃油消耗量和船舶航速及航行距離，根據配載儀或由船員輸入得知船舶當前載貨量，計算船舶耗能系統每海里燃油耗量、每運輸功燃油耗量、每海里CO2排放量、每運輸功CO2排放量等能效指標，從整體能效整體角度進行趨勢分析和相應報警。

參考ISO15016-2015: Ships and marine technology –Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data，計算風浪等的阻力增加，對功率航速數據進行修正，消除環境因素對船舶性能的影響。將修正后的數據與模型試驗數據進行對比，參考ISO19030-Ships and marine technology - Measurement of changes in hull and propeller performance，計算相同航速下兩者的功率差別，作為航行性能長期評估的指標值。

3.6 節能優化建議

船舶智能能效管理系統需提供節能優化建議功能，使船舶以更經濟、節能、環保的方式運行管理。主要提供系列節能減排優化措施，如縱傾優化、航速優化等，如圖7 所示?？v傾優化提供基于縱傾數據庫的縱傾優化計算，給出指定載況指定航速下的最優縱傾和推薦吃水，航速優化由系統每日生成航速、燃油、功率相關報表進行計算，將推薦航速郵件發送至船長房間提供參考。系統可基于當前航線和航行計劃，對航線總體油耗、主機輔機等功率分布情況進行評估，并根據基準值給出評估結果，如圖8 和圖9 所示。

圖7 縱傾優化模塊Fig.7 Trim optimization module

3.7 能效輔助決策與管理

船舶智能能效管理系統根據長時間累積下來的船舶運行數據，給出船舶能效管理輔助決策。根據能耗相關分項數據，以圖表形式展示船舶動態信息，方便相關人員直觀地了解船舶當前能效狀態并提出科學建議。船舶管理方可以通過岸端能效管理系統登錄可視化系統界面操作，同時可以進行船舶相關數據報告管理工作。包括排放監測報告、排放區預警、燃料信息管理以及污底評估等。岸端能效系統同時可以提供多船能效數據存儲以及能效分析交叉比對，繼而實現后續大數據優化分析，為船端工作人員提供最優決策。如圖10 所示。

圖8 船舶智能能效管理系統主機能耗評估Fig.8 Main engine energy consumption evaluation of the ship intelligent energy efficiency management system

圖9 船舶智能能效管理系統綜合能耗評估Fig.9 Comprehensive energy consumption evaluation of ship intelligent energy efficiency management system

圖10 船舶智能能效管理系統能效分析Fig.10 Energy efficiency analysis of ship intelligent energy efficiency management system

4 結 語

船舶能效管理是船舶營運管理的重要環節，系統化的能效管理可以提高船舶能效水平，降低船舶營運成本。本文綜合船舶能效管理的需求等多方面分析并設計了船舶智能能效管理系統，實現全船能效的在線監測與控制，保證了數據的實時性、有效性與可靠性，降低船舶營運成本，提高船舶運行效率。同時系統可操作性強，可根據不同船型增減功能模塊，定制需求，該船舶智能能效管理系統已經在集團部分散貨、集裝箱和油輪船上使用，系統還須進一步在實踐中優化與完善。